不同種類瀝青對灌入式半柔性材料的影響

郭慶林, 張博昊, 高穎*, 李冷雪, 汲治鵬, 劉佳怡

(1. 河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院, 邯鄲 056038; 2． 中建路橋集團(tuán)有限公司, 石家莊 050000; 3. 大連理工大學(xué)萊斯特國際學(xué)院, 盤錦 124221)

半柔性路面多用于重交通和重載路段,如道路交叉口和重工業(yè)廠區(qū)等。半柔性路面主要包括灌入式半柔性路面、水泥瀝青混凝土路面和水泥乳化瀝青混凝土路面等[1],灌入式半柔性路面主要是通過在大空隙母體瀝青混合料中灌注水泥基灌漿材料制備得到,從而形成具有超強(qiáng)抗車轍性能的復(fù)合路面,其中,母體瀝青混合料屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)[2]。

母體瀝青混合料是灌入式半柔性路面材料的重要組成部分,一些研究[3-5]通過分析母體瀝青混合料的級配和瀝青用量得出2.36 mm篩孔通過率對空隙率影響較大,瀝青用量范圍為2%～5%,另外,試錯法|6]也被研究人員用來優(yōu)化級配和油石比。張東亮[7]通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)確定母體瀝青混合料的最佳油石比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合工程需求。劉長翛[8]通過空隙率、油石比、混合料密度對母體瀝青混合料質(zhì)量進(jìn)行控制。母體瀝青混合料應(yīng)具有足夠空隙,使灌漿料充分灌注,研究表明瀝青骨架應(yīng)至少有18%的空隙[9],灌漿后還應(yīng)控制剩余空隙不超過5%,以保證半柔性路面較好的整體性。嚴(yán)守靖等[10]通過灌漿試驗(yàn)得到灌注率與預(yù)留灌漿深度計(jì)算公式,發(fā)現(xiàn)半柔性路面預(yù)留灌漿深度對其路用性能有一定影響。與傳統(tǒng)開級配相比還應(yīng)具有合理的強(qiáng)度。王偉明[11]選擇間斷級配設(shè)計(jì)的母體瀝青混合料具有優(yōu)良滲透性,但其強(qiáng)度較低對路用性能有一定影響。此外,眾多研究也證明半柔性路面材料有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性,但其抗疲勞性能不如普通瀝青混合料[12-14]。綜上,國內(nèi)外學(xué)者已對半柔性路面的基本性能開展了諸多研究,母體瀝青混合料性能對半柔性路面的力學(xué)性能有顯著影響,而瀝青性能好壞對瀝青混合料性能的影響不容忽視。

因此,現(xiàn)通過室內(nèi)試驗(yàn)方式,進(jìn)行不同種類瀝青下的級配優(yōu)選,并對不同種類瀝青制備的灌入式半柔性材料的灌注率、路用性能和強(qiáng)度進(jìn)行分析。最終提出針對不同地區(qū)半柔性路面材料瀝青種類的選擇方法。

1 半柔性瀝青路面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用AH-70#瀝青,集料為玄武巖,填料為礦粉通過石灰?guī)r磨細(xì)得到,相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn),粗集料、細(xì)集料的性能指標(biāo)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 粗集料性能指標(biāo)Table 1 Coarse aggregate performance index

表2 細(xì)集料性能指標(biāo)Table 2 Fine aggregate performance index

依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》制備SBS改性瀝青(styrene-butadiene-styrene)、高黏瀝青:SBS改性劑質(zhì)量摻量為4.3%,高速剪切儀溫度設(shè)置為175 ℃轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,將適量基質(zhì)瀝青和SBS改性劑按1∶0.43比例倒入高速剪切儀,剪切30 min,再將剪切好的SBS改性瀝青在180 ℃烘箱發(fā)育30 min。高黏瀝青改性劑質(zhì)量摻量為17.6%,高速剪切儀溫度為180 ℃轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,剪切30 min,最后在180 ℃烘箱發(fā)育30 mim完成制備。對后續(xù)試驗(yàn)采用的AH-70#瀝青、SBS改性瀝青和高黏瀝青性能 指標(biāo)根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測試,AH-70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、高黏瀝青性能指標(biāo)如表3所示。

灌入式半柔性路面的灌漿料應(yīng)具有良好的流動度和強(qiáng)度,良好的流動度能保證充分填充母體瀝青混合料的空隙,但灌漿料不能出現(xiàn)“泌水現(xiàn)象”所以對灌漿料的流動度和泌水率進(jìn)行測試,灌漿料的強(qiáng)度通過測試其7 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度來反映,各個(gè)技術(shù)指標(biāo)依據(jù)JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。

由表4可知,選取的灌漿料符合試驗(yàn)規(guī)程要求。

表3 不同種類瀝青性能指標(biāo)Table 3 Performance index of different kinds of asphalt

1.2 母體瀝青混合料設(shè)計(jì)

母體瀝青混合料是灌入式半柔性路面的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)為骨架-空隙結(jié)構(gòu),所以其級配不同于普通瀝青混合料。為了在保證母體瀝青混合料在有足夠空隙的同時(shí)具有較好的強(qiáng)度,細(xì)集料的含量為重要的控制指標(biāo)。本文中礦料級配要求參考DB23T 2799—2021《灌入式復(fù)合混凝土路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合前期工作和文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)對灌入式半柔性母體瀝青混合料影響較大的因素為:2.36 mm集料含量和4.75 mm集料含量,所以本文在級配設(shè)計(jì)時(shí)選擇2.36 mm集料含量≤4.5%、4.75 mm集料含量≤6%來保證母體瀝青混合料的質(zhì)量;本研究設(shè)計(jì)三種級配,級配關(guān)鍵篩孔通過率如表5所示。

母體瀝青混合料油石比是影響空隙率、穩(wěn)定度的主要因素;確定母體瀝青混合料最佳油石比是半柔性路面配合比設(shè)計(jì)主要內(nèi)容之一[15]。主要以空隙率、穩(wěn)定度為優(yōu)選指標(biāo),對母體瀝青混合料的最佳油石比進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)擬定采用2.8%、3.2%、3.6%、4%這四種油石比成型馬歇爾試件,然后將成型的試件通過體積法[16]測定其空隙率,通過馬歇爾試驗(yàn)測定其馬歇爾穩(wěn)定度,優(yōu)選表現(xiàn)優(yōu)良的母體瀝青混合料以確定最佳油石比。

表5 三種級配的設(shè)計(jì)組成結(jié)果Table 5 Three kinds of gradation design composition results

1.3 制備方法

依據(jù)馬歇爾試件制備方法,成型大空隙母體瀝青混合料,靜置12 h后將試模底部用保鮮膜和膠帶封死,之后固定在振動臺上,將拌好的灌漿料立即灌注,邊振動邊灌漿,等漿體不下滲關(guān)閉振動臺,用橡膠耙刮掉表面灌漿料,直至露出混合料最大粒徑瀝青骨料70%深度[10],因?yàn)楣酀{料灌入太多會造成路面構(gòu)造深度減小影響路面的抗滑性能,灌入太少會造成灌不滿的現(xiàn)象不利于路面形成完整的整體,預(yù)留混合料最大粒徑70%深度半柔性瀝青路面性能最佳,靜置24 h后脫膜放入溫度為(20±3) ℃,濕度大于等于90%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)生。

采用輪碾法成型大空隙母體瀝青混合料車轍板試件,灌漿過程與馬歇爾試件相同,如圖1所示。

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)方案的有效性,對母體瀝青混合料的灌注效率進(jìn)行了測算,灌注率的大小反映了母體瀝青混合料的灌注情況,因此,對灌注率的檢測是十分有必要的,灌注率即為灌注空隙率與總空隙率之間的比例[17]。通過水泥基灌漿材料密度與灌注質(zhì)量,計(jì)算灌注體積,灌注體積與總空隙體積之差為灌注空隙率;灌注率計(jì)算公式為

圖1 灌入式半柔性車轍板成型過程Fig.1 Forming process of semi flexible rutting plate

(1)

(2)

(3)

式中:β為灌注率;Vremain為母體瀝青混合料灌漿后殘留空隙率;Vmatrix為母體瀝青混合料總空隙率;ρf為母體瀝青混合料毛體積密度;ρt為母體瀝青混合料最大理論密度;mc為灌注水泥基灌漿材料的質(zhì)量;ρc為水泥基灌漿材料密度;V為試件體積。

1.4 路用性能研究

通過對比分析基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和高黏瀝青對灌入式半柔性瀝青路面路用性能的影響。半柔性路面的高溫穩(wěn)定性是指路面在荷載作用下抵抗永久變形的能力。路面高溫穩(wěn)定性差常常導(dǎo)致出現(xiàn)車轍,采用車轍試驗(yàn)對灌入式半柔性路面的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評價(jià)[18]。另外,路面的水穩(wěn)定性是路面抵抗水損害的性能,水損壞是路面常見的病害,采用凍融劈裂試驗(yàn)對半柔性路面的水穩(wěn)定性能進(jìn)行評價(jià)[19]。通過試驗(yàn)結(jié)果,對基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和高黏瀝青制備的半柔性材料的路用性能進(jìn)行評價(jià),并分別對不同種類瀝青制備的半柔性材料養(yǎng)生3 d和7 d的試件性能表現(xiàn)進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果分析

2.1 級配優(yōu)選

為了確定灌注效果最好的級配,參照文獻(xiàn)[3]的瀝青用量,對不同級配的混合料進(jìn)行對比分析,依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),結(jié)果如表6所示。

由表6可知:級配1、2的穩(wěn)定度大于級配3,級配2的連通空隙率大于級配1。母體瀝青混合料較高的穩(wěn)定度能起更好的支撐作用,較大的連通空隙能使灌漿材料充分灌注、填充,所以綜合考慮選擇級配2。分別用基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和高黏瀝青的2.8%、3.2%、3.6%、4%這四種油石比成型馬歇爾試件,研究其空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度以確定最佳油石比。穩(wěn)定度、空隙率與油石比關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 穩(wěn)定度-油石比關(guān)系圖Fig.2 Stability asphalt-aggregate ratio diagram

圖3 空隙率-油石比關(guān)系圖Fig.3 Porosity asphalt-aggregate ratio diagram

由圖2、圖3可知:無論是基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青還是高黏瀝青,穩(wěn)定度都在油石比為3.2%時(shí)達(dá)到“峰值”,空隙率隨著油石比的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。相對于基質(zhì)瀝青,SBS改性瀝青和高黏瀝青能提升混合料的穩(wěn)定度且提升程度相差不大,但改性瀝青制備的母體瀝青混合料空隙率有所下降。母體瀝青混合料在半柔性材料中主要起支撐作用,SBS改性瀝青、高黏瀝青是灌入式半柔性材料的較好選擇,通過對比分析,在空隙率滿足條件的情況下,綜合考慮采用3.2%為最佳油石比。

2.2 瀝青種類對灌注率影響分析

用基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和高黏瀝青制備的半柔性材料進(jìn)行灌漿,并測試其灌注率,測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同種類瀝青混合料灌注率和空隙率Fig.4 Perfusion rate and porosity of different asphalt mixtures

由圖4可知基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和高黏瀝青制備的母體瀝青混合料灌注率都比較高,在95%左右,且相差不大。瀝青種類對灌注率影響不大的原因在于幾種不同瀝青種類的混合料瀝青用量都較少,瀝青全部包裹集料沒有多余瀝青填補(bǔ)空隙,此時(shí)灌注率與混合料級配有關(guān),而這幾種不同瀝青種類的混合料級配相同。

2.3 路用性能分析

采用車轍試驗(yàn)對灌入式半柔性路面的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評價(jià),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。灌入式半柔性路面水穩(wěn)定性是影響道路性能和使用壽命的重要因素,本文采用凍融劈裂試驗(yàn)測試凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)檢驗(yàn)半柔性路面的水穩(wěn)定性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知,不同種類瀝青制備的灌入式半柔性材料灌漿后動穩(wěn)定度均在15 000 次/mm以上,高溫性能表現(xiàn)為高黏瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青。對于灌漿前的大空隙母體瀝青混合料,瀝青種類對其高溫穩(wěn)定性影響較大,改性瀝青能明顯提升母體瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,這是因?yàn)榇罂障赌阁w瀝青混合料中瀝青膜較薄,不能提供足夠的黏結(jié)力,但SBS改性瀝青和高黏瀝青本身的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青,所以有更好的高溫穩(wěn)定性。灌漿后混合料和灌漿料共同抵抗車轍變形,使灌入式半柔性路面具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于基質(zhì)瀝青,SBS改性瀝青和高黏瀝青制備的半柔性材料仍具有更好的高溫性能。

圖5 車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Rut test results

圖6 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of freeze-thaw splitting test

由圖6可知,大空隙母體瀝青混合料灌漿后TSR>85%說明其具有較好的水穩(wěn)定性。通過對比分析,改性瀝青能提高半柔性路面材料的水穩(wěn)定性,但提升效果不明顯,凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明,SBS改性瀝青、高黏瀝青制備的半柔性材料的TSR僅提升了2.2%和2.8%。這是因?yàn)楸狙芯吭O(shè)計(jì)的半柔性材料灌注率高,剩余空隙小,而水損壞大多發(fā)生在空隙處,所以高灌注率避免了水損壞。

2.4 強(qiáng)度分析

灌漿前后灌入式半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度如圖7所示。

由圖7可知,母體瀝青混合料灌漿后馬歇爾穩(wěn)定度顯著升高。三種瀝青制備的半柔性路面材料養(yǎng)護(hù)7 d后的馬歇爾穩(wěn)定度在17～25 kN,均滿足T/CECS G:D51-01—2019《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》中對路面通車要求的大于15 kN,當(dāng)使用改性瀝青時(shí),養(yǎng)護(hù)3 d即可滿足半柔性路面通車要求。SBS改性瀝青和高黏瀝青制備的半柔性路面材料養(yǎng)護(hù)7 d后馬歇爾穩(wěn)定度分別比基質(zhì)瀝青高32.8%和42.4%。說明改性瀝青的使用提升了灌入式半柔性路面的穩(wěn)定度,且兩種改性瀝青提升效果相近,由于高黏瀝青造價(jià)遠(yuǎn)高于SBS改性瀝青,綜合考慮優(yōu)先選擇SBS改性瀝青。

圖7 灌漿前后馬歇爾穩(wěn)定度變化圖Fig.7 Marshall stability change diagram before and after grouting

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式對不同種類瀝青制備的灌入式半柔性路面材料的設(shè)計(jì)、制備進(jìn)行闡述,并進(jìn)一步研究其級配、灌注率、路用性能和強(qiáng)度,通過分析得出如下結(jié)論。

(1)瀝青種類對母體瀝青混合料性能影響較大,SBS改性瀝青和高黏瀝青能提高半柔性母體瀝青混合料的穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性,但會減小空隙率。

(2)瀝青種類對灌注率影響較小,但連通空隙率對灌注率影響較大,當(dāng)半柔性路面施工時(shí)要嚴(yán)格控制混合料質(zhì)量和路面壓實(shí)情況,防止離析和過壓實(shí)對后續(xù)灌漿工作造成影響。

(3)瀝青種類對灌入式半柔性路面的路用性能有一定影響,瀝青改性劑較好的物理化學(xué)性能可以彌補(bǔ)基質(zhì)瀝青本身的缺陷,提高了半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性能,在半柔性路面混合料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合地區(qū)的溫度條件,合理選擇瀝青種類。半柔性路面材料本身具有較好的水穩(wěn)定性,所以只考慮水穩(wěn)定性時(shí)建議采用基質(zhì)瀝青。

(4)瀝青種類對灌入式半柔性路面強(qiáng)度有影響,當(dāng)使用SBS改性瀝青和高粘瀝青時(shí),均能提升灌入式半柔性路面的強(qiáng)度。當(dāng)使用改性瀝青時(shí)能達(dá)到快速通車的效果。